Nghiên cứu đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực cửa sông hoá sông thái bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.97 MB, 109 trang )
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ
định rõ nguồn gốc.
Hải Phòng, ngày
tháng
Tác giả
Lê Minh Tân
i
năm 2015
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo
PGS. TS. Đào Văn Tuấn, người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt
quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn:
* Ban Giám hiệu Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam; Viện đào tạo Sau Đại
học, Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình thuỷ, Trường Đại học Hàng Hải Việt
Nam.
* Lãnh đạo Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình
thuỷ lợi Vĩnh Bảo cùng tập thể cán bộ nhân viên Công ty Trách nhiệm hữu hạn
Một thành viên khai thác công trình thuỷ lợi Vĩnh Bảo
Đã cho phép và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô trong Khoa Kỹ thuật xây dựng
công trình thuỷ, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi
điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận văn.
Cám ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè, người thân và gia đình đã động viên
giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và học tập
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii
Mục lục ............................................................................................................ iii
Các chữ viết tắt trong luận văn........................................................................... vi
Danh mục bảng biểu......................................................................................... vii
Danh mục hình vẽ ........................................................................................... viii
Chương 1. Tổng quan về tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- sông
Thái Bình ...........................................................................................................1
1.1 Giới thiệu về hệ thống sông Thái Bình............................................................4
1.2 Tình hình nhiễm mặn khu vực hạ lưu cửa sông Hoá– sông Thái Bình ..............5
1.3. Các nghiên cứu thủy lực vùng cửa sông ven biển ...........................................8
1.4 Đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến khả năng nhiễm mặn khu vực cửa sông
Hóa – sông Thái Bình........................................................................................21
1.5. Tình hình nghiên cứu ..................................................................................23
Kết luận Chương 1 ............................................................................................24
Chương 2. Cơ sở lý thuyết đánh giá xâm nhập mặn khu vực cửa sông do ảnh
hưởng của biến đổi khí hậu ................................................................................25
2.1. Các phương trình cơ bản .............................................................................25
2.1.1. Các phương trình động lực học tổng quát ..................................................25
2.1.2. Phương trình truyền mặn ..........................................................................28
2.2. Nguyên lý giải hệ phương trình cơ bản ........................................................31
2.3. Lựa chọn phần mềm tính toán .....................................................................32
2.3.1. Căn cứ để lựa chọn phần mềm ..................................................................32
2.3.2. Lựa chọn mô hình tính toán......................................................................33
2.4. Phương pháp thực hiện ...............................................................................33
Kết luận chương 2 .............................................................................................35
Chương 3. Đánh giá tình hình xâm nhập mặn khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành
phố Hải Phòng do biến đổi khí hậu và nước biển dâng ........................................36
iii
3.1 Điều kiện khu vực nghiên cứu ......................................................................36
3.1.1 Vị trí địa lý ...............................................................................................36
3.1.2. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội ............................................................36
3.1.3. Điều kiện địa chất ....................................................................................37
3.1.4. Điều kiện khí hậu, thuỷ văn ......................................................................38
3.1.5. Tài nguyên thiên nhiên .............................................................................45
3.2. Tình hình dân sinh, kinh tế - xã hội .............................................................47
3.2.1. Dân số:....................................................................................................48
3.2.2. Sự phân bố các loa ̣i diê ̣n ti ć h....................................................................48
3.2.3. Các ngành nghề khác ..............................................................................48
3.2.4. Giao thông vận tải...................................................................................49
3.2.5. Hệ thống cung cấp nước sinh hoạt ............................................................49
3.2.6. Điều kiện vệ sinh và sức khoẻ cộng đồng..................................................49
3.3 Hệ thống thủy lợi huyện Vĩnh Bảo ..............................................................50
3.3.1. Công trình đầu mối tưới ...........................................................................50
3.3.2. Công trình đầu mối tiêu nước ...................................................................50
3.3.3. Hệ thống kênh dẫn trục chính ...................................................................51
3.4. Nghiên cứu, phân tích các quá trình nhiễm mặn tại Khu vực huyện Vĩnh
Bảo, thành phố Hải Phòng .................................................................................51
3.5. Các kịch bản BĐKH và NBD, đề xuất các kịch bản tính toán. ......................53
3.5.1 Các kịch bản biến đổi khí hậu được lựa chọn cho Việt Nam .......................53
3.5.2. Các kịch bản nước biển dâng được lựa chọn cho Việt Nam........................55
3.5.3 Đề xuất lựa chọn các kịch bản tính toán .....................................................56
3.6 Sơ đồ tính và kết quả tính toán .....................................................................56
3.6.1. Sơ đồ tính toán và kiểm nghiệm mô hình .................................................56
3.6.2. Kết quả tính toán .....................................................................................61
3.6.3. Tác động của BĐKH và NBD đến khu vực huyện Vĩnh Bảo, thành phố
Hải Phòng.........................................................................................................63
iv
3.7. Đề xuất các giải pháp đáp ứng áp dụng cho khu vực huyện Vĩnh Bảo,
thành phố Hải Phòng .........................................................................................71
3.7.1 Các giải pháp chung thích ứng với BĐKH và NDB ....................................71
3.7.2. Giải pháp quản lý tổng hợp vùng ven biển trong bối cảnh biến đổi khí
hậu và nước biển dâng .......................................................................................73
Kết luận và kiến nghị ........................................................................................77
1. Kết luận .....................................................................................................77
2. Kiến nghị ...................................................................................................77
Tài liệu tham khảo ............................................................................................79
v
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
Chữ viết tắt
IPPC
Giải thích
Ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu
BĐKH
Biến đổi khí hậu
NBD
Nước biển dâng
ADB
Ngân hàng phát triển châu Á
ĐBSCL
Đồng bằng sông Cửu Long
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số bảng
Tên bảng
Trang
3.1
Tỷ lệ diện tích phân bố theo độ cao của khu vực tiêu
37
3.2
Phân phối nhiệt độ không khí tương đối trong năm
39
3.3
Phân phối độ ẩm tương đối trung bình trong năm
39
3.4
Phân phối tổng lượng bốc hơi trung bình nhiều năm
40
3.5
Tốc độ gió trung bình nhiều năm tại trạm Phù Liễn
42
3.6
Mực nước thực đo trạm Hòn Dấu từ năm 1988-2007
42
3.7
Hiện trạng phân bố các loại diện tích huyện Vĩnh Bảo
48
3.8
Mô tả các kịch bản phát thải
54
3.9
Sự thay đổi nhiệt độ, mưa và ở Việt Nam theo các kịch bản
phát thải
54
3.10
Nước biển dâng theo các kịch bản biến đổi khí hậu
56
3.11
Các trạm thuỷ văn để kiểm nghiệm thông số thuỷ lực
59
3.12
Các trạm đo mặn để kiểm nghiệm hệ số khuếch tán
59
3.13
Kết quả kiểm định hệ số Nash của trạm Chanh Chử
60
3.14
Kết quả kiểm định hệ số Nash của trạm Ngũ Thôn
61
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hình
Tên hình
Trang
1.1
Khu vực hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình
5
1.2
Dòng chảy xoắn tại đoạn sông cong
13
1.3
Sự chêch hướng của vận tốc và ứng xuất tiếp
14
1.4
Lưới tính toán được sử dụng trọng Mike 21 C
14
1.5
Mang lưới sông và mặt cắt ngang trong mô hình HEC- RAS
15
1.6
Đoạn sông cơ bản để dẫn ra các phương trình liên tục
16
1.7
Mặt cắt ngang
17
2.1
Các phương và mặt phẳng tác dụng của các ứng suất tiếp
26
2.2
Sơ đồ biểu diễn các đại lượng trong hệ phương trình SV
27
2.3
Sơ đồ giải theo phương pháp sai phân 6 điểm
32
3.1
Vị trí khu vực nghiên cứu
36
3.2
Biểu đồ phân phối nhiệt độ ẩm không khí trong năm
39
3.3
Biểu đồ phân bốc hơi trung bình nhiều năm
39
3.4
Biểu đồ phân phối số giờ nắng trung bình nhiều năm
40
3.5
Biểu đồ phân phối số giờ nắng trung bình nhiều năm
41
3.6
Hoa gió tổng hợp nhiều năm-Trạm Hòn Dấu
41
3.7
Trường sóng hướng Đông Nam
43
3.8
Trường sóng hướng Nam
43
3.9
Sơ đồ mạng lưới hệ thống sông Hồng – Sông Thái Bình
được thiết lập trong mô hình Mike 11
57
3.10
Kết quả kiểm định HD tại trạm Chanh Chử trên sông Luộc
60
3.11
Kết quả kiểm định AD tại trạm Ngũ Thôn trên sông Trà Lý
60
3.12
Sơ đồ hệ thống Sông Hồng – Sông Thái Bình
61
3.13
Diễn biến xâm nhập mặn theo các kịch bản nước biển dâng
62
viii
MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết của đề tài
Việt Nam được dự báo là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề
của hiện tượng biến đổi khí hậu mà đặc biệt là hiện tượng nước biển dâng cao,
trong đó một trong hai vựa lúa lớn nhất của cả nước là Đồng bằng sông Hồng - nơi
chiếm gần 50 % tổng sản lượng lúa của cả nước là nới bị tác động mạnh mẽ của
biến đổi khí hậu và nước biển dâng.
Khi mực nước biển dâng cao, vấn đề xâm nhập mặn càng diễn ra gay gắt ảnh
hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là sản xuất lúa ở ĐBSH,
đe doạ nghiêm trọng đến an ninh lương thực quốc gia và làm giảm kim ngạch xuất
khẩu gạo cùng các mặt hàng nông, thuỷ sản.
Vùng đồng bằng thuộc hạ lưu sông Thái Bình là một trong những vùng sản
xuất lúa gạo chủ yếu của miền Bắc. Đây là khu vực thuộc hạ lưu của sông Thái
Bình. Hệ thống sông Thái Bình bao gồm sông chính Thái Bình cùng các nhánh
dòng chảy phụ của nó. Các nhánh phụ bao gồm sông Cầu, sông Thương và sông
Lục Nam ở thượng nguồn với chiều dài khoảng 1.600 km và diện tích lưu vực
khoảng 10.000 km². Ngoài ra, hệ thống sông này còn nhận một phần dòng chảy
của sông Hồng, để đổ ra biển Đông. Hệ thống sông Thái Bình có nối với sông
Hồng bởi sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu) nên đôi khi người ta
còn gọi hệ thống này là hệ thống sông Hồng-Thái Bình và nó tạo ra khu vực đồng
bằng Bắc Bộ. Hệ thống này giúp phân nước sông Hồng khi mùa lũ, làm giảm thiệt
hại ở hạ lưu sông Hồng.
Sông Hóa, là một nhánh sông thuộc hệ thống sông Thái Bình. Sông được tách
ra từ sông Luộc tại địa phận xã An Khê, Quỳnh Phụ, Thái Bình chảy theo hướng
Đông Nam, đến địa phận xã Thụy Ninh, Thái Thụy, Thái Bình sông đổi hướng
chảy ngoằn ngoèo theo hướng Tây Đông và hợp lưu với sông Thái Bình tại địa
phận xã Thụy Tập (Thái Thụy) cách cửa Thái Bình khoảng 7 km về hướng Đông
Bắc. Sông có tổng chiều dài khoảng 35 km, đi qua các địa phương như huyện
1
Quỳnh Phụ, Thái Thụy và Vĩnh Bảo - Hải Phòng. Làm ranh giới tự nhiên giữa
Thái Bình và Hải Phòng.
Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự
cạn kiệt nước từ thượng nguồn, diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực,
hiện tượng nước biển dâng cao… nên về mùa kiệt, mặn tiến sâu vào các cửa sông
Hóa, sông Thái Bình và các cửa sông khác, làm ảnh hưởng đến tình hình lấy nước
phục vụ sản xuất nông nghiệp tại các địa phương như Vĩnh Bảo, Tiên Lãng (Hải
Phòng), Thái Thụy, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Kiến Xương (Thái Bình). Theo kết quả
quan trắc của các trạm thuỷ văn thì tình hình xâm nhập mặn ở các khu vực nêu
trên ngày càng gia tăng.
Vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tình hình xâm
nhập mặn khu vực cửa sông Hoá - sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi
khí hậu và nƣớc biển dâng” với mục đích nghiên cứu chế độ dòng chảy, đánh giá
tình hình xâm nhập mặn, mô phỏng các kịch bản xâm nhập mặn và đề xuất các giải
pháp cấp nước, kiểm soát mặn phục vụ công tác tưới tiêu vùng đồng bằng lưu vực
sông Hoá- sông Thái Bình trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đây
là việc nghiên cứu hết sức cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn.
2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- sông Thái Bình
- Xây dựng các kịch bản xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí hậu.
-
Đánh giá mức độ xâm nhập mặn theo các kịch bản, từ đó đề xuất các giải
pháp đáp ứng.
3. Nội dung nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu, phân tích hiện trạng nhiễm mặn khu vực đồng bằng vùng cửa
sông Hóa- sông Thái Bình;
- Áp dụng các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng, tính toán và
đánh giá khả năng nhiễm mặn tại khu vực đồng bằng hai cửa sông Hoá và Thái
Bình;
- Đề xuất các giải pháp thích ứng cho khu vực.
2
- Phạm vi nghiên cứu là đồng bằng hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý luận;
- Phương pháp nghiên cứu thực tiễn;
- Phương pháp thống kê;
- Phương pháp chuyên gia.
- Sử dụng mô hình toán (Mike 11)để tính toán thuỷ động lực học.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Tổng hợp, đánh giá hiện trạng tình hình xâm nhập mặn vùng đồng bằng
ven biển thuộc hạ lưu hai cửa sông Hoá và sông Thái Bình.
- Dự báo được khả năng xâm nhập mặn trong điều kiện biến đổi khí hậu và
nước biển dâng theo các kịch bản mà Bộ tài nguyên và Môi trường đã công bố, đây
cũng là xu hướng nghiên cứu mới và mang tính thời sự.
6. Bố cục của Luận văn
Luận văn gồm có các phần sau đây
Mở đầu;
Chương 1: Tổng quan về tình hình nhiễm mặn khu vực cửa sông Hoá- Sông
Thái Bình;
Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá xâm nhập mặn khu vực cửa Sông Hoá –
Sông Thái Bình;
Chương 3: Đánh giá tình hình xâm nhập mặn theo các kịch bản biến đổi khí
hậu.
Kết Luận và Kiến nghị
3
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NHIỄM MẶN
KHU VỰC CỬA SÔNG HÓA – SÔNG THÁI BÌNH
1.1 Giới thiệu về hệ thống sông Thái Bình
Hệ thống sông Thái Bình là hợp lưu của các con sông Thương, sông Cầu,
sông Lục Nam, sông Đuống gặp nhau tại thị trấn Phả Lại, huyện Chí Linh, tỉnh Hải
Dương. Từ đây phân thành hai nhánh là sông Kinh Thầy và sông Thái Bình. Sông
Thái Bình dài 93km, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua tỉnh Hải Dương.
Sông Thái Bình đoạn trên có tên là sông Hàm Giang chảy qua làng Hàm
Giang, thuộc thành phố Hải Dương, đến huyện Cẩm Giàng nhận nước sông Nghĩa
Trụ chảy qua Kẻ Sặt, qua huyện Tứ Kỳ gọi là sông Quý Cao. Đoạn hạ lưu dài
35km, chảy qua thành phố Hải Phòng, làm ranh giới giữa hai huyện Vĩnh Bảo và
huyện Tiên Lãng, rồi đổ ra biển ở cửa biển Thái Bình[6].
Sông Thái Bình nối với sông Hồng thông qua sông Luộc ở phía Nam và sông
Đuống ở phía Bắc tạo thành hệ thống sông Hồng - Thái Bình, giúp phân nước sông
Hồng vào mùa lũ. Gần cửa Thái Bình có sông Hóa tách từ sông Luộc chảy vào
sông Thái Bình.
Hệ thống sông Thái Bình là tên gọi của một hệ thống sông gồm sông Thái
Bình cùng các phụ lưu và chi lưu của nó. Các phụ lưu gồm sông Cầu, sông Thương
và sông Lục Nam ở thượng nguồn với tổng chiều dài khoảng 1.650 km và diện tích
lưu vực khoảng 10.000 km². Ngoài ra, hệ thống sông này còn nhận một phần dòng
chảy của sông Hồng, để đổ ra biển Đông. Hệ thống sông Thái Bình nối với sông
Hồng bởi sông Đuống (ở thượng lưu) và sông Luộc (ở hạ lưu) nên đôi khi người ta
còn gọi hệ thống này là hệ thống sông Hồng-Thái Bình và nó tạo ra khu vực đồng
bằng Bắc Bộ. Hệ thống này giúp phân nước sông Hồng khi mùa lũ, làm giảm thiệt
hại ở hạ lưu sông Hồng.
Sông Hóa, một con sông nhỏ thuộc hệ thống sông Thái Bình, chảy trong tỉnh
Thái Bình. Sông được tách ra từ sông Luộc tại địa phận xã An Khê, Quỳnh Phụ,
Thái Bình chảy theo hướng Đông Nam, đến địa phận xã Thụy Ninh, Thái Thụy,
4
Thái Bình sông đổi hướng chảy ngoằn ngoèo theo hướng Tây Đông và hợp lưu với
sông Thái Bình tại địa phận xã Thụy Tập (Thái Thụy) cách cửa Thái Bình khoảng
7 km về hướng Đông Bắc. Sông có tổng chiều dài khoảng 35 km, đi qua các địa
phương như huyện Quỳnh Phụ, Thái Thụy và Vĩnh Bảo - Hải Phòng. Làm ranh
giới tự nhiên giữa Thái Bình và Hải Phòng[6].
Hình 1.1: Khu vực hạ lưu sông Hóa- sông Thái Bình
1.2 Tình hình nhiễm mặn khu vực hạ lƣu cửa sông Hoá– sông Thái Bình
Trong những năm gần đây, chịu sự ảnh hưởng của các yếu tố bất lợi như sự
cạn kiệt nước từ thượng nguồn diễn biến bất thường về lượng mưa trên lưu vực ,
ảnh hưởng của nước biển dâng…nên về mùa kiệt, mặn tiến sâu vào các cửa sông
Hóa, sông Thái Bình và các cửa sông khác, làm ảnh hưởng đến tình hình lấy nước
phục vụ sản xuất nông nghiệp tại các địa phương như Vĩnh Bảo, Tiên Lãng (Hải
Phòng), Thái Thụy, Quỳnh Phụ, Tiền Hải, Kiến Xương (Thái Bình). Theo báo cáo
của các Công ty trách nhiệm hữu hạn Một thành viên khai thác công trình thủy lợi
tại địa phương thì tình hình xâm nhập mặn ở các khu vực nêu trên ngày càng trở
nên trầm trọng và diễn biến phức tạp.
Hằng năm tỉnh Thái Bình vẫn còn khoảng 10 đến 20 nghìn hecta vụ xuân bị
hạn thường xuyên do mực nước nguồn xuống thấp lưu lượng qua các cống tưới
giảm nhiều so với thiết kế. Vụ xuân các năm 1999, 2004, 2005, 2007, 2008 mực
nước trên sông Hồng xuống rất thấp, mặn xâm nhập sâu, toàn tỉnh có khoảng 30
5
nghìn ha khó khăn về nguồn nước tưới nhất là giai đoạn đổ ải c hưa kể diện tích
nuôi trồng thủy sản ven biển hoảng 10.000 ha[5].
Trên sông Hóa, mặn xâm nhập sâu đến cống Hệ và cống Đoài, là cống tưới ở
vị trí gần cửa sông nhất, trong đó cống Hệ có diện tích tưới lớn nhất của sông Hóa
(2600ha). Cụ thể, tại cống Hệ và cống Đoài, độ mặn trung bình lớn nhất thuỷ trực
đạt 0,73 ‰ đến 1,5 ‰.
Từ giữa đến cuối mùa khô, lượng nước từ thượng lưu đổ về ngày một giảm
cũng là thời kì xâm nhập mặn nội địa đạt cực đại: độ mặn 10/00, chiều sâu xâm
nhập mặn từ 25km đến 40km tính từ cửa biển tùy theo đặc điểm từng sông và sự
điều tiết của các hồ chứa vào thời kỳ này.
Theo kết quả thống kê của Viện Nước Tưới tiêu & Môi trường, liên tiếp trong
các năm từ 2004 – 2006, nước mặn đã lấn sâu vào sông trên địa bàn tỉnh Nam
Định. Ranh giới mặn 10/00 đã xâm nhập ngày càng sâu vào các sông Hồng, sông
Ninh Cơ và sông Đáy. Đặc biệt, trong tháng 1/2006, trên tất cả 3 vùng cửa sông,
mặn đã xâm nhập sâu đến mức kỷ lục: trên sông Hồng mặn lấn đất sâu đến cửa
cống Hạ Miêu I với độ mặn 7,20/00 cách biển 26km; trên sông Ninh Cơ, mặn lấn
sâu đến cửa cống Múc 2 với độ mặn 1,70/00, cách biển tới 37km; trên sông Đáy
mặn đã đến cửa cống Bình Hải I với độ mặn 50/00, cách biển 18km.
Bên cạnh đó, trên các sông thuộc hệ thống sông Thái Bình mặn đã xâm nhập
vào đất liền sâu hơn các sông thuộc hệ thống sông Hồng và xu hướng lấn sâu vào
đất liền năm sau sâu hơn năm trước. Độ mặn tại các cống lấy nước tưới vùng cửa
sông ven biển vào mùa cạn vượt quá mức cho phép.
Nguyên nhân dẫn đến xâm nhập mặn là do hiện tượng biến đổi khí hậu – nhiệt
độ tăng và nước biển dâng. Theo thống kê, nước biển dâng cao 1m sẽ có 1.668 km2
đất thuộc Đồng bằng sông Hồng bị ngập, 1.874.011 người bị ảnh hưởng.
Theo kịch bản thấp nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường đưa ra, vào năm
2020 vùng đồng bằng Bắc bộ nhiệt độ sẽ tăng 0,60C, mực nước biển dâng cao hơn
0,11m; lượng mưa về mùa khô giảm ở hầu hết các vùng khí hậu nước ta và lượng
mưa thời kỳ từ tháng 3 đến tháng 5 sẽ giảm từ 3 – 6%[4]. Điều đó có nghĩa rằng,
6
nếu không có những biện pháp kịp thời, diện tích ngập mặn sẽ tiếp tục tăng trong
thời gian tới.
Sự xâm nhập mặn và mực nước trên sông Hồng, sông Hóa cũng như các sông
vùng hạ du Thái Bình lại phụ thuộc phần lớn vào sự điều tiết của hồ chứa Hòa
Bình, Thác Bà, Tuyên Quang. Thực tế theo dõi nhiều năm trở lại đây nước mặn
ngày càng lấn sâu hơn vào khu vực nội tỉnh: hai huyện Thái Thụy, Tiền Hải những
năm qua vụ xuân bị ảnh hưởng của mặn trên triền sông Hóa lên tới khu vực cầu
Nghìn. Trong giai đoạn đổ ải thời gian mở cống rất hạn chế, diện tích các vùng
Nam, Bắc quốc lộ 10 (vùng Tân Đệ) của huyện Vũ Thư, vùng Tiến Đức, Hồng An,
Phú Sơn …Quỳnh Hoảng, Quỳnh Ngọc, Quỳnh Phụ…do thiếu nguồn nước hàng
loạt máy bơm trơ giỏ phải ngừng bơm. Vùng tự chảy thường xuyên thuộc các
huyện Quỳnh Phụ, Kiến Xương không lấy được tự chảy nên rất bị động về tưới, đã
ảnh hưởng tiến độ gieo cấy lúa xuân.
Theo kết quả tính toán của Quy hoạch sử dụng tổng hợp nguồn nước lưu vực
sông Hồng- sông Thái Bình, mực nước điều tiết tại Hà Nội phải đạt từ 2,5 m trở
lên thì mới đảm bảo mực nước cho các cống vùng hạ du của các tỉnh, trong đó
Thái Bình hoạt động bình thường. Tuy nhiên mấy năm gần đây mực nước tại Hà
Nội đều thấp hơn 2,5m[6].
Thực tế điều hành nước trong những năm qua cho thấy mực nước các sông
Hóa, sông Thái Bình ngày càng cạn kiệt hơn, không đáp ứng đủ yêu cầu đổ ải vụ
xuân và càng khó khăn hơn do không có nguồn nước để thau chua rửa mặn cho
vùng đất chua mặn của tỉnh. Hai năm qua về vụ xuân tỉnh không điều tiết xả tiêu
nước thau chua mặn vì không có đủ nguồn nước. Do vậy hạn chế rất lớn đến việc
cải tạo đất và thâm canh. Trong khi đó tài nguyên nước lại tự do chảy ra biển do
không có công trình ngăn mặn ngăn giữ.
Tỉnh Thái Bình nằm ngay cửa biển, có 204 km đê sông, 4 tuyến đê biển: đê số
5, đê số 6, đê số 7 và đê số 8 với tổng chiều dài 158, 7km, trong đó 56,2 km đê trực
diện với biển. Khi mực nước biển dâng sẽ gây ngập lụt cho phần lớn diện tích canh
tác của tỉnh Thái Bình. Do vậy khi có công trình ngăn mặn sẽ ngăn nước biển
7
dâng không gây ngập lụt mà không cần đầu tư tôn cao hệ thống đê điều toàn tỉnh.
Như vậy sẽ không phải đầu tư với kinh phí rất lớn và giảm được các ảnh hưởng tác
động nhiều mặt về kinh tế, xã hội.
Việc xây dựng công trình ngăn mặn khu vực cửa sông Hóa- sông Thái Bình có
những lợi ích:
- Dâng, giữ nước mở rộng diện tích tưới tự chảy của lưu vực, tiết kiệm chi phí
tưới rất lớn.
- Tạo điều kiện thực hiện Chủ trương chuyển đổi cơ cấu kinh tế, cơ cấu cây
trồng, thay đổi cơ cấu mùa vụ, cơ cấu cây con vật nuôi mới, cũng như vấn đề phát
triển đô thị, công nghiệp và ô nhiễm môi trường của tỉnh.
- Không cho mặn xâm nhập vào sông Hóa, sông Thái Bình làm ngọt hóa cả
nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm hạ lưu sông Hóa, sông Thái Bình, giải quyết
tốt nguồn nước phục vụ sản xuất và sinh hoạt cho vùng ven biển hạ du sông Hóa,
sông Thái Bình.
- Tiết kiệm tài nguyên nước của quốc gia không để chảy tự do ra biển đảm
bảo phục vụ yêu cầu sản xuất và đời sống tốt hơn
1.3. Các nghiên cứu thủy lực vùng cửa sông ven biển
Việc giải bài toán thủy lực vùng cửa sông cũng như bài toán xâm nhập mặn là
vô cùng phức tạp vì nó chịu ảnh hưởng của diễn biến khí hậu và rất nhiều yếu tố
khác. Chính vì vậy các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra rất nhiều mô hình
tính toán để giúp đơn giản hóa quá trình tính toán. Có thể sơ lược một số mô hình
như sau:
1.3.1 Các mô hình tính toán:
1.3.1.1 Mô hình MIKE 11 và MIKE21
MIKE là mô hình thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lợi Đan Mạch
(Danish Hydraulics Institute - DHI) xây dựng. Đây thuộc lớp mô hình thuỷ lực và
chất lượng một và hai chiều có độ tin cậy rất cao, thích ứng với các bài toán thực tế
khác nhau. Mô hình này đã được áp dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán,
dự báo lũ, chất lượng nước và xâm nhập mặt. Hiện nay bộ mô hình bộ MIKE là
8
công cụ mạnh và được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam để tính toán, dự báo dòng
chảy cả về chất và lượng và hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sông ở nước ta.
MIKE 11 là một hệ thống mô hình một chiều gồm rất nhiều các mô đun liên
kết chặt chẽ với nhau và tuỳ vào khả năng nguồn số liệu hiện có mà người sử dụng
có thể sử dụng các môđun được lập hoặc liên kết với nhau. Một điểm rất thuận lợi
khi sử dụng hệ thống mô hình này là có phần giao diện khá hoàn chỉnh và thân
thiện với người sử dụng cũng như trình diễn kết quả.
MIKE là một họ phần mềm gồm nhiều modul khác nhau, từ việc tính toán cân
bằng nước (MIKE BASIN), mưa- dòng chảy (MIKE NAM), dòng một chiều
(MIKE 11), hai chiều lưới thẳng (MIKE 21), hai chiều lưới cong (MIKE 21C), lưới
bất kỳ (MIKE 21 FM) và ba chiều (MIKE 3); mô hình kết hợp một và hai chiều
MIKE FLOOD... Hiện nay, MIKE là bộ phần mềm được sử dụng khá rộng rãi, với
khả năng bao trùm tất cả các vấn đề về quản lý khai thác tài nguyên nước, thích
ứng với các bài toán thực tế khác nhau.
MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm
dùng để mô phỏng dòng chảy, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa
sông, sông, kênh tưới thủy lợi. MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân
thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho
sông cũng như hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt
thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi
trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất
lượng nước và các ứng dụng quy hoạch.
MIKE 21 HD là một mô đun thủy lực học dùng để mô hình hóa dòng chảy
tràn. Nó được dùng để mô phỏng sự biến động của mực nước và lưu lượng ứng với
các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn. Mực nước và
lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên cứu khi có dữ
liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió...
Phiên bản chuẩn của mô hình MIKE 21 dựa trên lưới tính hình chữ nhật. Đối
với việc mô phỏng vùng biển hở và phần lớn những ứng dụng vùng bờ, vùng cửa
9
sông, những lưới như vậy cho độ chính xác vừa đủ. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng
trong sông, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi
việc sử dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc (dạng các phần tử hữu hạn). Lưới cong
có những ưu điểm vượt trội lưới phi cấu trúc ở điểm sơ đồ tính toán nhanh hơn rất
nhiều. Ích lợi của việc sử dụng lưới cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật là số
điểm lưới ít hơn, mô phỏng đường bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ
chính xác cao. Trong mô hình lưới cong, có thể sử dụng bước thời gian dài hơn và
độ phân giải được cải thiện hơn bởi vì đường lưới luôn bám sát theo đường dòng
chảy. Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do số điểm được định nghĩa và lưu
trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ. Lưới cong trực giao được sử dụng trong
MIKE 21 C có được từ việc giải hệ phương trình[11]:
(1.1)
Trong đó:
x, y: toạ độ Đề các
s, n :
toạ độ cong (ngược chiều kim đồng hồ)
g: hàm tỷ trọng.
Hàm tỉ trọng là tỉ lệ giữa độ dài ô lưới theo phương s và độ dài ô lưới theo
phương n. Hàm này được xác định như sau:
(1.2)
Mô hình thuỷ động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trong sông và
vùng cửa sông. Các mô phỏng dựa trên lưới cong bao phủ toàn bộ khu vực nghiên
cứu. Mô hình này giải phương trình liên tục và bảo toàn động lượng (hệ phương
10
trình Saint Venant) một cách tổng hợp và hoàn toàn động học theo 2 hướng. Khi mô
hình được sử dụng cho sông, những ảnh hưởng sau đây có thể đưa vào hệ phương
trình:
Gia tốc dòng chảy
Sự đối lưu và động lượng mặt cắt ngang
Độ dốc đường mặt nước
ứng suất tiếp đáy
Sự phân tán động lượng
Lực Coriolis
Lực gây ra do gió
Dòng chảy cong và dòng chảy vòng
Việc sử dụng lưới cong làm tăng thêm một số đại lượng trong hệ phương
trình sai phân. Hệ phương trình được sử dụng trong MIKE 21C như sau[11].
(1.3)
(1.4)
trong đó:
s, n
Toạ độ trong hệ toạ độ cong
p, q
Lưu lượng theo hướng s và n
H
Cao trình mực nước
h
Độ sâu
g
Gia tốc trọng trường
C
Hệ số Sêdi
Rs, Rn Bán kính cong của đường s và n
11
RHS: Phần bên phải, mô tả hiệu ứng Reynold, lực Coriolis, ma sát do gió, áp
lực không khí
Dòng chảy vòng là hiện tượng dòng chảy thứ cấp trong sông. Trong khi
không có ảnh hưởng mạnh lên dòng chảy chính trong các sông có tỉ lệ giữa độ rộng
và độ sâu lớn, thì nó lại có ảnh hưởng đáng kể đến hướng vận chuyển bùn cát và vì
thế ảnh hưởng đến sự thay đổi về hình thái sông. Do đó, việc tính toán dòng chảy
vòng gắn liền với việc mô phỏng vận chuyển bùn cát khi tiến hành mô hình hoá hình
thái sông trên qui mô lớn. Nó là một thành phần vô cùng quan trọng trong quá trình
phát triển xói vòng, xói hợp lưu, nghiên cứu cồn cát dạng điểm cũng như cồn cát di
động.
Trong sông thiên nhiên, ngoài phương chuyển động chung dọc theo lòng dẫn,
dòng nước còn có các chuyển động theo các phương khác gọi chung là dòng thứ
cấp. Dòng thứ cấp dễ nhận thấy trực quan là dòng xoáy trục đứng, xuất hiện tại các
nơi có chiều rộng lòng sông thay đổi đột ngột. Những vùng xuất hiện dòng xoáy
đứng thường được gọi là khu nước vật. Dòng thứ cấp xuất hiện nơi mặt cắt dọc
lòng dẫn đột biến, các phần tử nước chuyển động theo quỹ đạo quay quanh trục
ngang, được gọi là cuộn xoáy ngang. Đây là những dòng thứ cấp điạ hình, sản sinh
ra do sự thay đổi cục bộ đột ngột của địa hình.
Ngoài dòng thứ cấp địa hình, còn tồn tại một loại dòng thứ cấp theo phương
ngang, trục dọc. Hình chiếu của nó trên mặt cắt ngang là một hoặc nhiều vòng
khép kín, nên thường gọi là hoàn lưu, hay là dòng chảy vòng. Dòng chảy vòng
không chỉ xuất hiện ở khúc sông cong mà còn xuất hiện ở các đoạn sông khác,
thậm chí ở các đoạn sông thẳng. Sông uốn khúc không phải là nguyên nhân của
dòng chảy vòng mà là hậu quả của nó. Sự uốn khúc của lòng sông chỉ làm dòng
chảy vòng mạnh lên và ổn định thêm. Dòng chảy vòng kết hợp với dòng chính tạo
thành dòng chảy xoắn ốc dọc theo lòng dẫn (Hình 1.2)[1].
12
Hình 1.2. Dòng chảy xoắn tại khúc sông cong
Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa
gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên
sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2). Sự trệch hướng này (định
nghĩa bằng góc lệch s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng
chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính
như sau:
Dòng chảy vòng xuất hiện tại các đoạn sông cong hay xung quanh các bãi giữa
gây nên sự trệch hướng của dòng sát đáy so với dòng chính và do vậy cũng gây nên
sự chệch hướng của ứng suất tiếp đáy (xem hình 1.2). Sự trệch hướng này (định
nghĩa bằng góc lệch s) phụ thuộc vào bán kính đoạn sông cong và độ sâu dòng
chảy, và đóng vai trò chủ yếu trong việc hình thành địa hình đáy sông, được tính
như sau:
tan s
(1.5)
h
Rs
trong đó:
s:
Góc lệch giữa ứng suất tiếp và ứng suất chính.
h:
Độ sâu dòng chảy
Rs:
Bán kính sông cong (hay độ cong của đường dòng)
:
Hệ số được tính như sau:
2
2
(1
(1.6)
g
)
C
13
với là hằng số van Karman, C hệ số Sêdi, và là hằng số kiểm định mô hình.
Trước khi vào khúc sông cong, trong dòng chảy đã xuất hiện dòng chảy
vòng nhưng với cường độ yếu. Sau khi vào khúc sông cong dòng chảy vòng lớn
dần lên và đạt trị số cực đại tại vùng đỉnh cong, sau đó lại bắt đầu giảm nhỏ. Quá
trình này được gọi là sự thích ứng của dòng chảy vòng nhằm tiến tới trạng thái cân
bằng. Phạm vi thích ứng của của dòng chảy vòng () phụ thuộc vào độ sâu dòng
chảy và độ nhám:
(1.7)
1.2hC
g
Trong đó: Phạm vi trong đó dòng chảy vòng biến đổi để đạt trạng thái cân bằng
h Độ sâu dòng chảy
C: hệ số Sêdi
Hình 1.3. Sự trệch hướng của vận tốc và ứng suất tiếp do tác động của dòng
chảy vòng tại khúc sông cong
Hình 1.4. Lưới tính toán được sử dụng trong MIKE 21 C
14
Những thành phần bổ sung khi sử dụng hệ toạ độ cong cũng được thể hiện khi
mô phỏng hiệu ứng Reynolds. Hệ phương trình được giải bằng kĩ thuật sai phân ẩn
với các biến được định nghĩa trên lưới tính toán so le (hình 1.4).
3.1.1.2 Mô hình thuỷ động lực 1 chiều HEC-RAS
Hình 1.5. Mạng lưới sông và mặt cắt ngang trong mô hình HEC-RAS
Để tính toán thuỷ lực trong hệ thống sông (lòng dẫn hở và các công trình),
có thể sử dụng hệ phương trình 1 chiều Saint-Venant. Hệ phương trình vi phân đạo
hàm riêng này không có nghiệm giải tích và thường được giải bằng phương pháp
số. Những phần mềm máy tính như VRSAP của cố GS Nguyễn Như Khuê, GS
Nguyễn Ân Niên được sử dụng khá hiệu quả ở Việt Nam. Với thành tựu tin học và
máy tính, thế giới công bố nhiều phần mềm có ứng dụng tương tự. Trong đề tài
này sử dụng chương trình HEC-RAS, là một môđun của SMS.
HEC-RAS được phát triển bởi Trung tâm Thuỷ văn Công trình (The
Hydrology Engineering Center - HEC), Bộ Quốc phòng Mỹ. HEC-RAS tính toán
trạng thái ổn định hoặc không ổn định để xác định mực nước và vận tốc dòng chảy,
có thể bổ sung các công trình: cầu, cống, các trạm bơm dọc sông…Việc giải
phương trình dòng chảy không ổn định được phỏng theo mô hình UNET của
Tobert L. Barkau. Thành phần dòng chảy không ổn định được xây dựng chủ yếu
cho các tính toán chế độ dòng chảy dưới phân giới.
Các quy luật vật lý chi phối dòng chảy trong sông là: định luật bảo toàn khối
lượng (phương trình liên tục) và định luật bảo toàn động lượng (phương trình chuyển
15
động). Các quy luật này được biểu diễn toán học theo dạng các phương trình vi phân
đạo hàm riêng.
Phương trình liên tục
Xét đoạn sông như trong hình 1.6. Trong hình này, khoảng cách x được đo dọc
kênh. ở điểm giữa đoạn, lưu lượng và diện tích mặt cắt ướt được thể hiện bởi Q(x,t)
và AT tương ứng, q l là lưu lượng gia nhập vào đoạn sông. Phương trình liên tục như
sau:
(1.8)
Hình 1.6. Đoạn sông cơ bản để dẫn ra các phương trình liên tục và
phương trình động lượng.
Phương trình động lượng
Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:
(1.9)
Bảo toàn động lượng cho đoạn sông: tất cả các lực thành phần tác động lên
đoạn sông cân bằng với suất biến đổi động lượng. Đây là phương trình áp dụng
theo hướng x. Thông lượng có hướng trùng với hướng của véc tơ vận tốc theo
chiều dòng chảy. Ba lực sẽ được xem xét là: áp suất, trọng lực và lực ma sát
16
Hình 1.7. Mặt cắt ngang
Áp suất: Hình 1.7 giải thích trường hợp tổng quát của một mặt cắt không đều.
Phân bố áp suất giả thiết là thủy tĩnh (thay đổi tuyến tính theo độ sâu) và tổng áp
suất là toàn bộ áp suất trên diện tích mặt cắt. áp suất tại một điểm bất kỳ có thể viết
như sau:
(1.10)
trong đó h là độ sâu, y là khoảng cách trên đáy kênh, và T(y) là hàm của chiều
rộng, liên hệ bò rộng mặt cắt với khoảng cách ở trên đáy kênh. Nếu F p là áp lực
theo hướng x ở giữa đoạn sông, thì lực ở phía thượng lưu của đoạn sông có thể
viết:
(1.11)
và ở phía hạ lưu:
(1.12)
Do đó tæng các lực áp suất tác động lên đoạn sông có thể viết:
(1.13)
trong đó FPn là áp lực tác động lên đoạn sông và F B là lực tác động bởi các bờ
sông theo hướng x lên chất lỏng.
Trọng lực biểu thị bằng:
17
